(57)【要約】【課題】  システム内に外気温センサを設置することなしに、より短い時間で低温起動が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  水素および空気の供給により発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に水素を供給する水素供給系と、燃料電池１に空気を供給する空気供給系と、燃料電池１に冷却水を循環供給する冷却系と、を備えた燃料電池システムにおいて、冷却系の冷却水の温度を調節するラジエタ１３の入口および出口に冷却水の温度を検出する温度センサ１１ｆ，１１ｇを設置し、判断手段（コントローラ）２０により、当該燃料電池システムの通常運転中に、温度センサ１１ｆ，１１ｇの検出結果に基づき外気温を推測し、次回のシステム起動方法を判断する。【選択図】    図１
2006244962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に冷却液を循環供給する冷却系と、を備えた燃料電池システムにおいて、
当該燃料電池システムの通常運転中に、前記冷却系の冷却液温度調節手段に設置された温度検出手段の検出結果に基づき外気温を推測し、次回のシステム起動方法を判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池に冷却液を循環供給する冷却液供給手段と、
前記冷却液の温度を調節する冷却液温度調節手段と、
前記冷却液温度調節手段の入口および出口に設置され前記冷却液の温度を検出する温度検出手段と、
当該燃料電池システムの通常運転中に、前記温度検出手段の検出結果に基づき外気温を推測し、次回のシステム起動方法を判断する判断手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の負荷に応じて、前記次回のシステム起動方法の判断条件を変えることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記次回のシステム起動方法の判断結果を当該燃料電池システムの操作者に報知することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素等の燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおける燃料電池の低温起動制御の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。
【０００４】
このような燃料電池システムを搭載した車両においては、車両を低温環境下で停止したとき、燃料電池内や反応ガス経路内に存在している水分が凍結する場合があり、凍結による電解質膜への反応ガスの進行・到達の阻害、反応ガス経路の目詰まりおよび循環手段のロック等により燃料電池システムを起動できないという問題がある。
【０００５】
このような問題に対処するべく、燃料電池システムにおける燃料電池の低温起動制御手法が種々提案されており、例えば、特開２００４−２２１９８号公報に開示の「燃料電池システム」がある。この第１従来例は、外気温検出手段により燃料電池近傍の外気温を検出し、燃料電池の停止後、外気温検出手段により検出した外気温の変化に基づき、外気温予測手段において外気温の推移を予測し、該予測した外気温が水分を凍結する所定凍結温度を下回ると凍結判定手段により判定された場合に、凍結防止処理手段によって燃料電池内部で水分が凍結するのを防止するものである。
【特許文献１】特開２００４−２２１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、システム内に外気温検出手段として外気温センサを設置する必要性があり、また、システム起動後に外気温の推移を予測するので低温起動時間が長くなるという問題点があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、システム内に外気温センサを設置することなしに、より短い時間で低温起動が可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に冷却液を循環供給する冷却系と、を備えた燃料電池システムにおいて、当該燃料電池システムの通常運転中に、前記冷却系の冷却液温度調節手段に設置された温度検出手段の検出結果に基づき外気温を推測し、次回のシステム起動方法を判断することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムでは、冷却系の冷却液温度調節手段に設置された温度検出手段の検出結果に基づき外気温を推測し、次回のシステム起動方法を判断するため、システム内に外気温検出手段として外気温センサを設置する必要がなく、また、次回システム起動時にシステムの起動方法を判断する時間を短縮させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１を備える。
【００１２】
また、水素供給系として、水素タンク２、水素タンク元弁３、水素供給弁４、圧力制御弁５、水素循環ポンプ５、パージ弁７、圧力センサ６ａおよび温度センサ１１ｃ，１１ｅを備え、空気供給系として、コンプレッサ８、空気調圧弁９、圧力センサ６ｂおよび温度センサ１１ｄを備え、冷却系として、冷却水ポンプ１０、冷却水三方弁１２、ラジエタ１３、ラジエタファン１４、冷却水ヒータ１５および温度センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｆ，１１ｇを備えている。さらに、燃料電池１が発電する電力を取り出して管理するパワーマネージャー１５や、電圧センサ１８、大気圧センサ６ｄも備えた構成である。
【００１３】
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給されるアノード１ａと酸化剤ガスである空気が供給されるカソード１ｂとが電解質膜１ｄを挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。アノード１ａに水素ガスが、カソード１ｂに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
【００１４】
（数１）
アノード（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                     （１）
（数２）
カソード（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ         （２）
アノード１ａへの水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁１６および水素供給弁４を通じてなされる。水素タンクから供給される高圧水素は、減圧弁１６で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁４で燃料電池での水素圧力が所望の水素圧に制御される。水素循環ポンプ５は、アノード１ａで消費されなかった水素を再循環させるために設置されている。アノード１ａの水素圧は、圧力センサ６ａで検出した水素圧力をフィードバックして、水素供給弁４を駆動することによって制御される。水素圧を一定に制御することによって、燃料電池が消費した分だけの水素が自動的に補われる。アノード１ａ側温度は温度センサ１１ｃ，１１eによって検出される。
【００１５】
また、パージ弁７は次のような役割を果たす。すなわち、第１に、水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素を排出する。第２に、セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。さらに第３に、燃料電池の劣化を防止するために、起動時および停止時にカソード１ｂの酸素を電力消費させつつ水素系内のガスを水素置換させる。
【００１６】
また、カソード１ｂへの空気はコンプレッサ８により供給される。カソード１ｂの空気圧は、圧力センサ６ｂで検出した空気圧力をフィードバックして、空気調圧弁９を駆動することによって制御される。またカソード１ｂ側温度は温度センサ１１ｄによって検出される。空気圧、水素圧は発電効率や水収支を考慮して設定されると共に、電解質膜１ｄやセパレータ１ｅに歪みを生じないように所定の差圧に管理される。
【００１７】
また、冷却水流路１ｃへの冷却水は冷却水ポンプ１０により供給される。冷却水用三方弁１２により、冷却水の流路がラジエタ１３方向とラジエタバイパス方向に切り替えられたり、分流されたりする。なお、ラジエタバイパス方向の経路内には冷却水ヒータ１５が設置されている。ラジエタファン１４は、ラジエタ１３へ風を通過させて冷却水を冷やす。ラジエタ１３の入口および出口には、それぞれ温度センサ１１ｆおよび１１ｇを備えており、冷却水の温度は、温度センサ１１ａ，１１ｂで検出した冷却水温度をフィードバックして、冷却水用三方弁１２とラジエタファン１４を駆動することによって調整される。
【００１８】
また、パワーマネージャー１７は、燃料電池から電力を取り出して車両を駆動するモータ（図示しない）へ電力を供給する。燃料電池パワープラントシステムの起動、停止時に、電圧センサ１８で検出された燃料電池電圧および経過時間に応じて、燃料電池から電力を取り出して、カソード１ｂの酸素を消費させる。
【００１９】
さらに、コントローラ２０は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、大気圧を検出するための大気圧センサ６ｄや、圧力センサ６ａ，６ｂおよび温度センサ１１ａ〜１１ｇ等の各種センサの検出値を読み込んで、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システムの各部における動作を制御する。
【００２０】
特許請求の範囲にいう判断手段は、このコントローラ２０（ＣＰＵ）上で実行されるプログラムの機能的なまとまりであって、当該燃料電池システムの通常運転中に、冷却液温度調節手段であるラジエタ１３の入口および出口にそれぞれ設置され冷却水の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）１１ｆおよび１１ｇの検出結果に基づき外気温を推測し、次回のシステム起動方法を判断する。
【００２１】
次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムにおける次回のシステム起動方法の判断について、図２を参照しながら説明する。ここで、図２は本実施例の燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【００２２】
まず、ステップＳ１０１では当該燃料電池システムを起動する。次に、ステップＳ１０２では、ラジエタ１３の入口温度センサ１１ｆの指示値Ｔｉｎおよびラジエタ１３の出口温度センサ１１ｇの指示値Ｔｏｕｔを読み込む。
【００２３】
次に、ステップＳ１０３では、ラジエタ入口温度センサ指示値Ｔｉｎとラジエタ出口温度センサ指示値Ｔｏｕｔの差分が所定の閾値Ｔｄ以上であるか否かを判断する。この判断で該差分が閾値Ｔｄ以上のときにはステップＳ１０４に進み、また、該差分が閾値Ｔｄ未満のときにはステップＳ１０２に戻る。ここで、閾値Ｔｄは、例えば４０℃に設定される。
次に、ステップＳ１０４では、ラジエタ入口温度センサ指示値Ｔｉｎとラジエタ出口温度センサ指示値Ｔｏｕｔの差分が閾値Ｔｄ以上となっている時間の計測を開始する。そして、ステップＳ１０５では、該差分が閾値Ｔｄ以上となっている時間Ｔｉが所定の閾値Ｔｉｄ以上であるか否かを判断する。この判断で時間Ｔｉが閾値Ｔｉｄ以上のときにはステップＳ１０６に進み、時間Ｔｉが閾値Ｔｉｄ未満のときにはステップＳ１０７に進む。
【００２４】
また、ステップＳ１０７では、差分が閾値Ｔｄ以上となっている時間Ｔｉをカウントした回数Ｎが所定の閾値Ｎｄ以上であるか否かを判断する。この判断で回数Ｎが閾値Ｎｄ以上のときにはステップＳ１０６に進み、回数Ｎが閾値Ｎｄ未満のときにはステップＳ１０２に戻る。ここで、閾値Ｎｄは、例えば５回に設定される。
【００２５】
ステップＳ１０５で差分が閾値Ｔｄ以上となっている時間Ｔｉが閾値Ｔｉｄ以上のとき、或いは、ステップＳ１０７で差分が閾値Ｔｄ以上となっている時間Ｔｉをカウントした回数Ｎが所定の閾値Ｎｄ以上のときには、ステップＳ１０６において、外気温は氷点下であると推測し、結果をメモリする。この場合、次回システム起動時には強制的に低温起動が実施されることとなる。
【００２６】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（空気）の供給により発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス供給手段（水素供給系）と、燃料電池１に酸化剤ガス（空気）を供給する酸化剤ガス供給手段（空気供給系）と、燃料電池１に冷却液（冷却水）を循環供給する冷却液供給手段（冷却系）と、を備えた燃料電池システムにおいて、冷却系の冷却液（冷却水）の温度を調節する冷却液温度調節手段（ラジエタ）１３の入口および出口に冷却液（冷却水）の温度を検出する温度検出手段（温度センサ）１１ｆ，１１ｇを設置し、判断手段（コントローラ）２０により、当該燃料電池システムの通常運転中に、温度検出手段（温度センサ）１１ｆ，１１ｇの検出結果に基づき外気温を推測し、次回のシステム起動方法を判断するようにしている。
【００２７】
このように、冷却系の冷却液温度調節手段（ラジエタ）１３の入口および出口に設置された温度検出手段（温度センサ）１１ｆ，１１ｇの検出結果に基づき外気温を推測し、次回のシステム起動方法を判断するため、従来のように、システム内に外気温検出手段として外気温センサを設置する必要がなく、また、次回システム起動時にシステムの起動方法を判断する時間を短縮させることが可能である。
【００２８】
燃料電池に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、空気酸化ガスを供給する空気酸化ガス供給手段と、冷却水放熱手段を備えた燃焼電池システムにおいて、システム起動後通常運転中に冷却水放熱手段の入口および出口に設置した温度センサ指示値より外気温を推測し、次回システム起動方法を判断するため、次回システム起動時にシステムの起動方法を判断する時間を短縮させる事が可能である。
【実施例２】
【００２９】
次に、本発明の実施例２に係る燃料電池システムについて説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、実施例１（図１）と同等であり、図１においてコントローラ２０の判断手段の機能のみが異なる。すなわち、判断手段は、当該燃料電池システムの通常運転中に、冷却液温度調節手段であるラジエタ１３の入口および出口にそれぞれ設置され冷却水の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）１１ｆおよび１１ｇの検出結果に基づき外気温を推測し、次回のシステム起動方法を判断するが、次回のシステム起動方法の判断に際して、燃料電池の負荷に応じて判断条件を変えている点が本実施例の特徴である。
【００３０】
以下、本実施例の燃料電池システムにおける次回のシステム起動方法の判断について図３を参照して説明する。ここで、図３は本実施例の燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【００３１】
まず、ステップＳ２０１では当該燃料電池システムを起動する。次に、ステップＳ２０２では、ラジエタ１３の入口温度センサ１１ｆの指示値Ｔｉｎおよびラジエタ１３の出口温度センサ１１ｇの指示値Ｔｏｕｔを読み込む。そして、ステップＳ２０３では、現時点の燃料電池負荷を求め、該燃料電池負荷に応じて閾値Ｔｄ（判断条件）を補正する。
【００３２】
次に、ステップＳ２０４では、ラジエタ入口温度センサ指示値Ｔｉｎとラジエタ出口温度センサ指示値Ｔｏｕｔの差分がステップＳ２０３で補正した閾値Ｔｄ以上であるか否かを判断する。この判断で該差分が閾値Ｔｄ以上のときにはステップＳ２０５に進み、また、該差分が閾値Ｔｄ未満のときにはステップＳ２０２に戻る。
【００３３】
次に、ステップＳ２０５では、ラジエタ入口温度センサ指示値Ｔｉｎとラジエタ出口温度センサ指示値Ｔｏｕｔの差分が閾値Ｔｄ以上となっている時間の計測を開始する。そして、ステップＳ２０６では、該差分が閾値Ｔｄ以上となっている時間Ｔｉが所定の閾値Ｔｉｄ以上であるか否かを判断する。この判断で時間Ｔｉが閾値Ｔｉｄ以上のときにはステップＳ２０７に進み、時間Ｔｉが閾値Ｔｉｄ未満のときにはステップＳ２０８に進む。
【００３４】
また、ステップＳ２０８では、差分が閾値Ｔｄ以上となっている時間Ｔｉをカウントした回数Ｎが所定の閾値Ｎｄ以上であるか否かを判断する。この判断で回数Ｎが閾値Ｎｄ以上のときにはステップＳ２０７に進み、回数Ｎが閾値Ｎｄ未満のときにはステップＳ２０２に戻る。
【００３５】
ステップＳ２０６で差分が閾値Ｔｄ以上となっている時間Ｔｉが閾値Ｔｉｄ以上のとき、或いは、ステップＳ２０８で差分が閾値Ｔｄ以上となっている時間Ｔｉをカウントした回数Ｎが所定の閾値Ｎｄ以上のときには、ステップＳ２０９において、外気温は氷点下であると推測し、結果をメモリする。この場合、次回システム起動時には強制的に低温起動が実施されることとなる。
【００３６】
以上説明したように、本実施例の本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池の負荷に応じて次回のシステム起動方法の判断条件を変えているので、燃料電池の負荷変動に起因する冷却水温度変化による誤診断を防止することが可能である。
【００３７】
以上説明した、実施例１および実施例２の変形として、コントローラ２０の判断手段による次回のシステム起動方法の判断結果を、当該燃料電池システムの操作者（即ち、車両運転者）に対して報知するようにしても良い。例えば、次回のシステム起動が低温起動になることを音声または表示パネル上の表示によってアナウンスする。これにより、操作者（車両運転者）は、車両側の運転制御がどのようになっているかを確実に認知することができ、快適な運転操作に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】実施例１の燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【図３】実施例２の燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１    燃料電池
１ａ    アノード
１ｂ    カソード
１ｃ    冷却水流路
１ｄ    電解質膜
１ｅ    セパレータ（ソリッドプレート）
２    水素タンク（燃料ガス供給手段）
３    水素タンク元弁
４    水素供給弁
５    水素循環ポンプ
６ａ，６ｂ    圧力センサ
６ｄ    大気圧センサ
７    パージ弁
８    コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
９    空気調圧弁
１０    冷却水ポンプ（冷却液供給手段）
１１ａ〜１１ｅ    温度センサ
１１ｆ，１１ｇ    温度センサ（温度検出手段）
１２    冷却水用三方弁
１３    ラジエタ（冷却液温度調節手段）
１４    ラジエタファン
１５    冷却水ヒータ
１６    減圧弁
１７    パワーマネージャー
１８    電圧センサ
２０    コントローラ（判断手段）
【図１】
2006244962.tif 000003
【図２】
2006244962.tif 000004
【図３】
2006244962.tif 000005